CN103962079B - 加热装置和用于发生化学反应的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加热装置和一种用于发生化学反应的设备。所述加热装置包括：光源，其用于产生包括红外线的光，以加热多个待加热区域；和光线引导部件，用于使所述光源产生的光束变成多个光斑，分别照射到所述的多个待加热区域，所述光线引导部件包括微机电系统或者二维光栅。本发明能够实现定点有选择地加热待加热区域，而不是大范围地没有选择地加热。另外，在本发明中光束通过空气传播，不需要利用任何装置引导，可以以非接触的方式传播光束实现加热。同时，本发明采用光线直接加热，而非传统的热传递接触式加热，可以快速地开始和停止加热。

Description

加热装置和用于发生化学反应的设备

技术领域

本发明涉及加热领域，尤其涉及利用光加热的领域。

背景技术

目前，激光加工、打标和化学反应等领域广泛地利用光加热的技术。激光加工是利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等的一门技术，其基本原理就是利用激光产生热量加热材料然后对材料进行处理。打标是用激光束在各种不同的物质表面烧蚀或者刻蚀永久标记的技术。打标的工作原理为：激光发生器生成高能量的连续激光光束，当激光作用于承印材料时，处于基态的原子跃迁到较高能量状态；处于较高能量状态的原子不稳定，会很快回到基态，当原子返回基态时释放出额外的能量，并这些能量由光能转换为热能，使表面的材料瞬间熔融甚至气化，从而形成图文标记。多种化学反应（尤其是生物化学反应，例如利用聚合酶链反应PCR）对温度非常敏感。可以通过调节反应样品的温度来控制这些化学反应的过程，包括化学反应的开始、反应速度和结束等。

下面以化学反应领域的光加热技术为例说明现有技术的状况。一种现有的技术为直接加热方式（非接触式加热），即光源产生的光线不经过传热介质直接照射到待加热的较大区域上产生热量。当反应样品分布在多个加热位点上时（通常情况下都有多个反应样品分布在多个加热位点上），这种现有技术无法实现有选择地加热某些加热位点，即无法实现定点加热。

另外一种常见的方式现在更常见，为间接加热方式（接触式加热）。公开号为WO98/09728A（公开日为1998年3月12日）的专利文件公开的名称为热循环装置，其红外线加热光源的光线照射在传热介质——吸热部件上，反应样品夹在吸热部件之间，吸热部件和反应样品之间产生热传递。这种方式由于需要先加热吸热部件所以无法实现快速地加热待加热对象，由于吸热部件中会存有一部分热量，所以该装置也无法实现迅速地停止加热反应样品。

另外，公开号为CN102329725CN（公开日为2012年1月25日）的专利文件公开了一种光透射温度控制装置，光产生单元通过光纤束将从光源输出的作为激发光的光从热电装装置块照射到容纳样品的管子上。光纤束使从光源输出的光入射到管上。该现有技术利用光纤束传输光，失去了非接触式加热的优点。

发明内容

基于现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是设计一种加热装置，该装置能够实现定点地加热多个区域。

本发明的一个实施方式提出一种加热装置，其特征在于，该加热装置包括：光源，其用于产生包括红外线的光束，以加热多个待加热的区域，和光线引导部件，用于使所述光源产生的光束变成多个光斑，照射到上述多个待加热的区域，所述光线引导部件包括微机电系统（MEMS）或者二维光栅。

优选，所述光源能够产生包括红外线的激光。包括红外线的激光不仅可用用于调节化学反应的温度，而且可以用于激光加工和激光打标等领域。优选，所述二维光栅用于使所述光源产生的光束发生透射变成多个光斑，所述二维光栅的面内角可调。或者，所述二维光栅为上下设置的多个二维光栅，用于改变透射光斑的数量。或者还可以在所述光线引导部件和待加热区域之间还设有渐变滤色片，该渐变滤色片用于控制照射到待加热区域的光的强度。

优选，所述微机电系统（MEMS）包括数字微镜器件或光栅光阀及它们的控制器，所述控制器用于控制数字微镜器件或光栅光阀，从而调整照射到待加热区域上的光的方向和强度。

优选，所述数字微镜器件和光栅光阀上覆有红外线反射膜，红外线反射膜可以提高数字微镜器件和光栅光阀对红外线的反射率，从而提高能量的利用率。

优选，所述光源为两个，一个光源能够产生第一波长的光，另一个光源能够产生第二波长的光，在两个光源和光线引导部件之间还设有二向色镜，所述二向色镜使所述第一波长的光和所述第二波长的光耦合成一束。通过设置两个能够产生不同波长的光线的光源使得待加热区域内部和邻近容器壁面的物质受热均匀。

本发明的另外一个实施方式公开了一种用于发生化学反应的设备，其特征在于该设备包括：上面所述的加热装置，和设置在所述加热装置一侧的基体，所述基体上设有多个容纳样品的区域。

优选，在上述设备中，所述区域中设有多个孔，所述孔的侧壁为阶梯形结构，用于防止光发生全反射。

上述实施方式能够实现定点的有选择地加热待加热的区域，而不是大范围的没有选择地加热。另外，本发明的实施方式还可以达到快速加热。因采用光学直接加热，即光线加热(radiative heating)，而非传统的热传递接触式加热(contact heating)，所以可以快速的开始和停止加热(光线开即开始加热，光线关即停止加热)。此外，光束通过空气传播，不需要利用光纤等这样的部件引导，可以以非接触的方式传播光束实现加热。非接触式加热可以使整个设备的设计具有更大的灵活性。例如，对于化学反应的加热而言，非接触的设计使加热装置和化学反应容器中间有一个开放的空间。可以随意地从容器放入和取出样品。如果是接触式加热，则没有该开放空间。每次放入和取出样品必须移开上面的加热装置。此外在开放的空间里可以使用滤色片等附加装置。

附图说明

本发明的其它特点、特征、优点和益处通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。其中：

图1示出了按照本发明一个实施例的加热装置和化学反应设备的透视图；

图2A示出了上述加热装置中设置的一种光线引导部件——二维光栅的结构示意图；

图2B示出了上述加热装置中设置的另外一种光线引导部件——微机电系统的结构示意图；

图2C示出了另外一种微机电系统的结构示意图；

图3示出了设有渐变滤色片的加热装置的示意图；

图4示出了按照本发明一个实施例的设有两个光源的加热装置的示意图；

图5示出了按照本发明一个实施例的化学反应设备的基体的示意图。

具体实施方式

下面，将结合附图详细描述本发明的各个实施例。

图1出了按照本发明一个实施方式的加热装置和化学反应设备的透视图。加热装置包括光源1，其用于产生包括红外线的光，优选使用红外激光或者红外发光二极管。也可以采用紫外灯或者卤素灯，这些类型的灯也输出红外波段的光线，但是其在可见光波段也有很强的输出，所以如果采用紫外灯和卤素灯，需要使用滤色片把紫外光和大部分可见光过滤掉。加热装置还包括光线引导部件2，该光线引导部件2设置在光源1的一侧（例如可以设置在光源1的下侧，也可以设置在上侧），用于调整光的传播方向，将光源2产生的辐照大范围的均匀光束变成定点照射特定点位（即待加热的区域8）的多个光斑。

为避免重复起见，在图1示出的加热装置下面还示出了本发明另外一个实施方式中的化学反应设备包括的设有多个化学反应区域8的基体9，但是本领域的技术人员可以理解，该温度控制装置除了应用在化学反应设备中以外，还可以用于激光加工、打标等领域。

光线引导部件2包括的主要部件为能够控制光方向的微机电系统MEMS（Microelectromechanical Systems）和二维透射光栅。具体地，附图2A示出了二维透射光栅，附图2B和2C示出了两种具体的微机电系统的结构，其中附图2B示出的是数字微镜器件5，附图2C为光栅光阀GLV。下面分别说明这三种部件的结构和工作方式。

图2A示出了二维光栅的示意图。二维光栅的作用是把光源1产生的光束变成多个点阵式的光斑。光源1产生的光线照射在二维光栅上，二维光栅改变光线的方向，将多个透射的光斑引导到多个待加热的区域。该二维光栅在一个平面的两个方向上都设置有周期性的刻痕，两个方向上刻痕的间距取决于实际需要的透射光斑的方向以及加热装置和待加热区域之间的距离。本领域的技术人员根据光源产生的入射光、需要的透射光斑的方向以及加热装置和待加热区域之间的距离等结合普通的光学知识就能够确定两个方向上刻痕的间距，这里不再详述如何选取刻痕间距的大小。光源1产生的辐照大范围的光束经过二维光栅后变成照射位点的多个光斑。这样，通过二维光栅改变光束的传播方向，可以定点地让光线照射待加热的区域8。

优选，在需要加热的位点改变时，即需要改变透射光斑的方向时，可以通过旋转二维光栅调整其面内角来调整透射光斑的位置。另外，通过使二维光栅将几个光斑重叠即可以调整透射光斑的大小。另外，也可以调整光斑的数量。光线引导部件2可以包括多个二维光栅。例如可以设有两个上下设置的二维光栅，一个二维光栅固定，另外一个二维光栅能够旋转。通过旋转另外一个二维光栅即可实现调整透射光斑的数量。

MEM S(Micro-Electro-Mechanical Systems)是主要由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其作用是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，这种微型系统具有自动化、智能化和可靠性水平高的特点。在本发明的中，微机电系统MEMS需要能够控制光的传播方向和强度，即通过微机电系统能够调节光的反射和干涉。本领域的技术人员可以根据具体需要的光的方向和强度选择或者设计出适合的微机电系统。

图2B示出了上述加热装置中设置的一种微机电系统的示意图。具体而言，该图中示出的微机电系统为数字微镜器件（DMD）。DMD是光开关的一种，其是在半导体芯片上布置一个由微镜片（精密、微型的反射镜）所组成的矩阵。这些微镜片在其控制器产生的数字驱动信号的控制下能够迅速改变角度，一旦接收到相应信号，微镜片就会倾斜，使入射光的反射方向改变，从而实现光开关的开合，其开闭时间为微秒量级。DMD的作用过程十分简单，光从光源1射向DMD的微镜片，DMD打开的时候，光可经过对称光路照射到待加热的区域8上；当DMD关闭的时候，即DMD的微镜片产生一个小的旋转，光经过反射后，无法照射到区域8上，从而就达到了光开关关闭的效果。另外，如图2B所示，为改变DMD入射光的角度，可以根据需要在适当的位置设置反射镜10。此外，DMD的微镜片上可以覆有红外线反射膜（例如金膜），这样可以提高DMD对红外线的反射率，提高能量的利用率。

图2C示出了另外一种微机电系统的示意图。具体而言，该图中示出的微机电系统为光栅光阀GLV。GLV是设置在硅晶片上的装置，其包括多个反射率高的平行微带，微带的大小有几微米，微带包括交错设置的活动微带（active ribbon）和静态微带（staticribbon），每个活动微带都连接有控制器（即电连接件），控制器能够独立地触发各个活动微带，使各个活动微带反射或者不反射入射光。光栅光阀在微带反射和不反射两个状态之间的转换非常快速。美国的硅光机器公司（Silicon Light Machines）。在US5841579或者US6130770中公开的光栅光阀GLV可以应用在本发明中，该公司生产的GLV也可以应用在本发明中。另外，如图2C所示，为改变光栅光阀入射光的角度，可以根据需要在适当的位置设置反射镜10。优选，GLV的活动微带上覆有红外线反射膜（例如金膜），这样可以提高活动微带对红外线的反射率，提高能量的利用率。

DMD和GLV可以通过控制器控制，可以根据需要调整微镜片的倾斜角度或者触发不同的活动微带，实现控制反射光线的角度，加热不同的位点。现有的控制器的控制范围基本上没有限制，在较大范围内可以任意调整光斑的方向和大小。现在市场上销售的DMD通常都有配套的控制器，这里不再详述控制器的结构。

DMD和GLV不仅能够控制光的角度，而且可以控制照射到不同位点的光的强度。可以通过使控制器控制打开的微镜片的角度和数量来调整照射到不同位点的光的强度。例如：在第一种情况下可以控制DMD阵列中的一百个微镜打开加热一个反应容器，在第二种情况下可以打开十个微镜加热，那么第二种情况的加热强度是第一种情况的十分之一。在GLV的情况下，可以触发不同的活动微带的来实现调整照射到位点的光的强度，这相当于控制加热光在GLV表面发射后的自身干涉，通过改变相消和相长的干涉位置，实现加热光的强度减弱和增强。对于使用附图2A示出的二维光栅作为光线引导部件2的情形，可以使用红外渐变滤色片（mask）4调节照射到不同位点的光的强度。如图3所示，可在光线引导部件2的后面设置红外渐变滤色片4，其能够遮挡部分波长的光，从而实现调节照射到不同位点的光的强度。

二维光栅和DMD、GLV的主要优点和不足为：二维光栅对光线方向的调节范围小，但是价格便宜；而DMD、GLV的价格贵一些，但是其可在非常大的范围调整光线的方向和强度。

根据上面的说明，本领域的技术人员知晓，除了图2B和2C示出的微机电系统以外，本发明还可以使用其他能够实现定点有选择地加热某些区域的微机电系统。通过应用包含图2A-2C示出的光线引导部件2，能够实现定点的有选择地加热某些区域，而不是大范围没有选择地加热。另外，在本发明中光束通过空气传播，不需要利用任何装置引导，可以实现以非接触的方式传播光束实现加热。同时，因为是光线直接加热，而非传统的热传递接触式加热，可以快速地开始和停止加热。

另外，申请人经过大量实验发现，容纳在区域8中的待加热对象通常受热不均，靠近壁面的待加热对象由于容器壁面向外散热而加热较慢，而区域8内部的待加热对象则受热较快。为解决该问题，本发明的一个实施方式提供了一种设有两个光源的温度调节装置。如图4所示，这两个光源能够产生不同波长的光。例如，第一光源可以产生波长比较短的红外线光束11，其加热（excite）区域8内部的待加热对象；第二光源可以产生波长比较长的红外线光束12，其加热区域8孔壁部附近的待加热对象。光线引导部件2之前设置有二向色镜7，光束11在二向色镜7上反射，光束12经由二向色镜7投射，之后两束光耦合成一束光13，进入光线引导部件2上。通过设置两个能够产生不同波长的光线的光源使得待加热区域8中的待加热对象受热更均匀。

本发明的另外一个实施方式还公开了一种化学反应设备。如图3所示，其包括上面所述的加热装置，和设置在加热装置一侧用于容纳化学样品的基体9。基体9和光学引导部件2可以设置在光源1的上部，也可以设置在光源的下部。当设置在光源1的下部时，基体9需要由光线能够穿透的材料制成。基体9上设有多个用于容纳反应样品的区域8。多个区域8优选为有间隔的点阵式分布。

图5示出了按照本发明一个实施方式的化学反应设备的基体的示意图。基体9为具有一定厚度的板体，基体9在化学反应区域8中按照一定的间隔设有多个孔，孔用于容纳化学反应容器16，化学反应容器16通常都设有保温用的盖子14。孔的侧壁为阶梯形结构15，设置这些阶梯形结构15能够防止光发生全反射。从而提高光的利用率。本领域的技术人员可以根据上述阶梯形结构的作用确定阶梯的尺寸，其形状可以为垂直的台阶状或者等边三角形等。

上文通过附图和实施例对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施例，本领域技术人员从中推导出来的其他方案也在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书来定义。

Claims (9)

1.一种加热装置，其特征在于，该装置包括：

光源(1)，其用于产生包括红外线的光束，以加热多个待加热的区域(8)，和

光线引导部件(2)，用于使所述光源(1)产生的光束变成多个光斑，分别照射到所述的多个待加热的区域(8)，所述光线引导部件(2)包括微机电系统或者二维光栅(3)，

其中所述光源(1)为两个，一个光源能够产生第一波长的光，另一个光源能够产生第二波长的光，在所述两个光源(1)和光线引导部件(2)之间还设有二向色镜(7)，所述二向色镜(7)使所述第一波长的光和所述第二波长的光耦合成一束。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源(1)能够产生包括红外线的激光。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述二维光栅(3)用于使所述光源(1)产生的光束发生透射形成多个光斑，所述二维光栅(3)的面内角可调。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述二维光栅(3)为上下设置的多个二维光栅，用于改变透射光斑的数量。

5.根据权利要求3所述的装置，其中在所述光线引导部件(2)和区域(8)之间还设有渐变滤色片(4)，该渐变滤色片(4)用于控制照射到待加热的区域(8)上的光的强度。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述微机电系统包括数字微镜器件(5)或光栅光阀(6)及其控制器，所述控制器用于控制数字微镜器件(5)或光栅光阀(6)，从而调整照射到待加热的区域(8)上的光的方向和强度。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述数字微镜器件(5)和光栅光阀(6)上覆有红外线反射膜。

8.一种用于发生化学反应的设备，其特征在于该设备包括：

如权利要求1-7中任一项所述的加热装置，和

设置在所述加热装置一侧的基体(9)，所述基体(9)上设有多个容纳反应样品的区域(8)。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述区域(8)中设有多个孔，所述孔的侧壁为阶梯形结构，用于防止光发生全反射。